WO2012008113A1 - 微小電気機械発電器およびそれを用いた電気機器 - Google Patents

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WO2012008113A1
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substrate
electret
electrode
movable
movable substrate
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PCT/JP2011/003806
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English (en)
French (fr)
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内藤　康幸
ロブ バン・スカイク
マタテン ゴドブロド
クリスティン ド・ノーエイア
デニス ホールフェルド
ゲート アルテナ
Original Assignee
パナソニック株式会社
アイメック
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04—Friction generators

Definitions

  • the present invention relates to a micro electromechanical generator and an electric device using the same.
  • Microelectromechanical elements are applied in many fields such as radio, light, acceleration sensor, biotechnology, and power.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • an environmental power generator Energy Harvester
  • This environmental power generator is applied to, for example, a power source of a low-power radio device, and realizes a wireless sensor network that does not require a power cable or a battery.
  • the environmental power generator can be reduced in size.
  • the vibration type generator includes a piezoelectric type, an electromagnetic type, and an electrostatic type.
  • the electrostatic vibration generator does not require a piezoelectric material and a magnetic material, and has an advantage that it can be manufactured by a simple manufacturing method.
  • the electrostatic vibration generator includes an electrode facing the electret electret, and is configured such that when the weight vibrates due to a force applied from the external environment, the facing area of the electret and the electrode changes.
  • the electrostatic vibration generator realizes power generation by supplying power to the electrode and discharging by repeatedly generating the maximum and minimum values of the capacitance by using the change in capacitance due to the change in facing area. It is an environmental power generator. So far, various electrostatic vibration generators have been proposed.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of an electrostatic vibration generator, which is a conventional micro electromechanical generator. The power generation mechanism of this generator will be described.
  • the microelectromechanical generator 1000 includes a lower substrate 111, a lower electrode 102, a pad 105 for taking wiring from the generator, a fixed structure 108, a movable substrate 110, a lower electret 101, a spring 201, and a lower joint 106. It has. Furthermore, the power generator 1000 includes an upper substrate 109 and an upper joint 107 for protecting the movable substrate 110 and the spring 201.
  • the fixed structure 108, the spring 201, and the movable substrate 110 are usually formed by processing a single substrate.
  • the fixed structure is sometimes called a fixed portion, and the movable substrate is sometimes called a movable portion or a weight.
  • the movable substrate (weight) 110 vibrates following the vibration of the external environment.
  • the spring constant and resonance frequency of the spring 201 are optimized so that the maximum amplitude is generated at the vibration frequency of the external environment. Due to the vibration of the movable substrate 110, the overlapping state of the lower electrode 102 and the lower electret 101 changes when viewed from the direction perpendicular to the surface of the movable substrate, and the state of the maximum value or the minimum value of the opposing area repeatedly occurs. .
  • the capacitance value between the substrate 111 and the movable substrate 110 is the maximum, and a high potential is set in the lower electret 101 that has been charged. Power supply occurs.
  • the capacitance value between the substrate 111 and the movable substrate 110 is minimum, and the binding of the electric power supplied to the lower electrode 102 is released.
  • the released electric charge is output from the pad 105, for example, as electric power.
  • FIG. 13 is a diagram of a simulation result showing the relationship between the distance between the electrode and the electret and the capacitance change ratio. As shown in the drawing, it is possible to increase the capacitance change ratio by narrowing the gap between the lower electrode 102 and the lower electret 101.
  • Patent Document 1 An example of a method for properly maintaining a gap between an electrode and an electret is disclosed in Patent Document 1.
  • the electrostatic vibration generator described in Patent Document 1 has a configuration in which not only a region where the electret and the electrode face each other but also a region where the electret and the electret face each other, and the opposite electrets are attached to the same polarity. There is electricity. The electret charged with the same polarity reduces the pulling force due to electrostatic attraction by electrostatic repulsion.
  • the power generator described in Patent Document 1 is configured to form both the electrets for feeding and repulsive force on the same plane of the minute weight (movable substrate), the electric field generated from the electrets is complicated, It had the subject that control became difficult.
  • the present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an electrostatic vibration generator in which an increase in power generation and improvement in reliability are realized as a microelectromechanical generator.
  • the present invention provides: A first substrate having a first substrate surface; A second substrate having a second substrate surface; A movable movable substrate; A fixed structure that supports the movable substrate; The first substrate surface and the second substrate surface are opposed to each other, The movable substrate is disposed between the first substrate and the second substrate and moves in at least one axial direction parallel to the surface of the first substrate (hereinafter, this direction is also referred to as “moving direction of the movable substrate”).
  • first substrate surface and the surface of the movable substrate facing the first substrate surface a plurality of first electrets are arranged on one surface, and a plurality of first electrodes are arranged on the other surface
  • second substrate surface and the surface of the movable substrate facing the second substrate surface a plurality of second electrets are arranged on one surface, and a plurality of second electrodes are arranged on the other surface.
  • a micro electromechanical generator is provided.
  • the micro electromechanical generator (also simply referred to as “generator”) of the present invention generates an electrostatic force between the first substrate and the movable substrate, and also generates an electrostatic force between the second substrate and the movable substrate. It has the structure to generate. With this configuration, electrostatic forces are generated on the two surfaces of the movable substrate, and the electrostatic force generated on one surface side can reduce the pulling force generated by the electrostatic force generated on the other surface side.
  • the movable substrate is preferably connected to the fixed substrate via an elastic structure. That is, it is preferable that the movable substrate is supported by the fixed structure via the elastic structure. Thereby, the movable substrate can be stably moved (vibrated).
  • power can be output from the first electrode and the second electrode, and in this case, the amount of power generation can be increased. That is, the opposing area can be increased by stacking the opposing areas of the electrode and the electret. Therefore, the amount of power generation corresponding to two generators can be obtained in one generator without increasing the installation area.
  • the micro electromechanical generator according to the present invention includes the second electret when the positions of the first electret and the first electrode coincide with each other when viewed from a direction perpendicular to the surface of the first substrate.
  • the first electret, the first electrode, the second electret, and the second electrode are arranged so that the position with the second electrode is shifted by a predetermined amount in the moving direction of the movable substrate. It may be the composition which is.
  • the first electret, the first electrode, the second electret, and the second electrode are arranged on the same line perpendicular to the surface of the first substrate, the direction is parallel to the direction and reverse Two forces may act on the movable substrate, causing the movable substrate to become constrained. Accordingly, the first and second electrets, and the first and second electrodes are arranged so that the positions of the second electret and the second electrode are shifted by a predetermined amount so that they are not arranged on the same line. And an electrode. As a result, it is possible to avoid a phenomenon in which the vibration of the movable substrate is hindered due to the restraint of the movable substrate.
  • the electrostatic force generated between the second electrode and the second electret is applied in an oblique direction with respect to the surface of the movable substrate. That is, not only the electrostatic force in the direction perpendicular to the surface of the movable substrate but also the electrostatic force in the direction parallel to the surface of the movable substrate (that is, the moving direction) can be applied to the movable substrate. Such an electrostatic force allows or facilitates displacement of the movable substrate.
  • a generator with such a configuration is, for example,
  • the first electrets are arranged so that the distances between the centers of two adjacent first electrets are parallel to each other and equal to each other.
  • the first electrodes are arranged so that the distance between the centers of two adjacent first electrodes is equal to each other in parallel with each other,
  • the second electrets are arranged so that they are parallel to each other and the distance between the centers of two adjacent second electrets is equal.
  • the second electrodes are arranged so that the distances between the centers of two adjacent second electrodes are equal to each other in parallel with each other,
  • the distance between the centers of the two adjacent first electrets, the distance between the centers of the first electrodes, the distance between the centers of the second electrets, and the center of the second electrode The distance is the same,
  • the direction in which the first electret, the first electrode, the second electret, and the second electrode are aligned is a direction parallel to the moving direction of the movable substrate,
  • the predetermined amount is approximately half of the distance between the centers of two adjacent first electrodes; It has a configuration.
  • the first electret and the second electret are respectively arranged on the surfaces of two different substrates selected from the first substrate, the movable substrate, and the second substrate.
  • the vibration of the movable substrate is not inhibited by the electrostatic force. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a micro electromechanical generator and an electric device using the same, in which both an increase in power generation and an improvement in reliability are achieved.
  • 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a micro electromechanical generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a micro electromechanical generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a microelectromechanical generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a microelectromechanical generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a microelectromechanical generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a microelectromechanical generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the circuit diagram which shows the structure of the micro electromechanical generator in Embodiment 1 of this invention.
  • the circuit diagram which shows the structure of the micro electromechanical generator in Embodiment 1 of this invention
  • Cross-sectional view showing the configuration of a conventional microelectromechanical generator
  • the graph which shows the relationship between the space
  • the top view which shows arrangement
  • FIG. 1 and 2 are cross-sectional views showing the configuration of the microelectromechanical generator according to the present embodiment.
  • 1 and 2 include a lower substrate 111 as a first substrate, an upper substrate 109 as a second substrate, a movable substrate 110, a spring 201 as an elastic structure, and a fixed structure.
  • a body 108 is provided.
  • the upper surface of the lower substrate 111 and the lower surface of the upper substrate 109 face each other. Therefore, in this power generator 100, the upper surface of the lower substrate 111 and the lower surface of the upper substrate 109 correspond to the first substrate surface and the second substrate surface, respectively.
  • the first substrate surface (upper surface) of the lower substrate 111 includes a plurality of first electrodes 102 and elements constituting the power generator 100 (for example, the first electrode 102, the lower substrate 111, or other elements). Pads 105 for wiring are formed. A plurality of second electrodes 104 are formed on the second substrate surface (lower surface) of the upper substrate 109.
  • the fixed structure 108, the movable substrate 110, and the spring 201 are usually formed by processing a single substrate. Therefore, these members are combined into “an intermediate substrate 108 to which the movable substrate (or movable portion or weight) 110 is connected by the elastic structure 201” or “an intermediate substrate having the weight 110 movable by the elastic structure 201”. 108 ".
  • the movable substrate 110 follows at least one axial direction (direction indicated by a double-headed arrow in the drawing) parallel to the surfaces facing the upper substrate 109 and the lower substrate 111 (therefore, the first substrate surface and the second substrate surface) following external vibration. ) Vibrates (that is, reciprocates). An electret that generates an electric field above the movable substrate 110 and that faces the first electrode 102 is formed on the surface of the movable substrate that faces the first substrate surface. On the surface of the movable substrate facing the second substrate surface, an electret that generates an electric field below the movable substrate and is opposed to the second electrode 104 is formed.
  • the first electrodes 102 are parallel to each other, and are provided so that the distance between the centers of two adjacent first electrodes 102 is equal, that is, at equal intervals.
  • the first electrodes 102 are arranged in a direction parallel to the moving direction of the movable substrate 110. That is, the first electrode 102 is disposed as shown in FIG. 14 when viewed from a direction perpendicular to the first substrate surface.
  • the first electret 101, the second electret 103, and the second electrode 104 are similarly arranged.
  • the first electrode 102, the first electret 101, and the second electret 103 are disposed so as to coincide with each other when viewed from the direction perpendicular to the first substrate surface,
  • the second electrode 104 is arranged so as to deviate from them.
  • the first electrode 102, the first electret 101, the second electret 103, and the second electrode 104 are aligned with each other when viewed from the direction perpendicular to the first substrate surface. Has been placed.
  • the lower substrate 111 and the fixed structure 108 are bonded by the lower bonding portion 106 so that a predetermined gap is formed between the first electrode 102 and the first electret 101.
  • the upper substrate 109 and the fixed structure 108 are bonded by the upper bonding portion 107 so that a predetermined gap is formed between the second electrode 104 and the second electret 103.
  • electrodes and electrets are provided not only below but above the movable substrate 110.
  • an electrostatic force can be generated between the second electrode 104 and the second electret 103, and the electrostatic force generated between the first electrode 102 and the first electret 101 is lowered by the electrostatic force.
  • the movable substrate 110 that is pulled in is pulled upward, and the movable substrate 110 can be prevented from being pulled in one direction (downward in the drawing).
  • the second electrode 104 is arranged so as to be shifted in the moving direction of the movable substrate 110 with respect to the positions of the second electret 103, the first electret 101, and the first electrode 102. .
  • the first electrode 102, the first electret 101, and the second electret 103 are arranged so as to coincide with each other when viewed from a direction perpendicular to the first substrate surface.
  • the first electrode 102, the first electret 101, and the second electret 103 are located on the same line perpendicular to the first substrate surface and overlap each other in the illustrated embodiment.
  • the second electrode 104 is the center of the first electrode 102 with respect to the second electret 103 (that is, the first electrode 102 and the first electret 101) in a direction parallel to the moving direction of the movable substrate. They are shifted by half the distance between them.
  • the distance between the centers is a distance between center lines passing through the center in the width direction of the first electrode 102 (direction parallel to the moving direction of the movable substrate), and is a distance indicated by P in FIG. Equivalent to.
  • the widths of the two electrets and the two electrodes are the same.
  • the widths of the first electret and the first electrode are different, they match when viewed from the direction perpendicular to the first substrate surface.
  • the center lines passing through the centers in the width direction match. Means that.
  • the first electrode 102, the first electret 101, the second electrode 104, and the second electret 103 are perpendicular to the first substrate surface. It is possible to avoid being located on the same line in any direction. More specifically, when the overlapping area between the first electrode 102 and the first electret 101 is maximized, the second electrode 104 and the second electret 103 do not overlap. Thereby, it is possible to avoid that electrostatic forces in opposite directions are applied to the movable substrate 110 in a direction perpendicular to the surface of the movable substrate, and the movable substrate 110 is constrained and the vibration of the movable substrate is inhibited. The phenomenon can be avoided.
  • the second electrode 104 is disposed with respect to the second electret 103 so as to be shifted by approximately half of the distance between the centers of the first electrodes 102 in the moving direction of the movable substrate 110, one second electret.
  • An oblique electrostatic force is applied between the second electrode 104 and the second electrode 104.
  • the electrostatic force in such a direction makes it possible to initiate the displacement of the movable substrate 110 and promotes the persistence of the displacement (vibration of the movable substrate).
  • FIG. 15 is an enlarged view of the vicinity of the electret and electrodes of the generator shown in FIG. 1, and is a diagram for explaining a mechanism in which an electrostatic force in a direction parallel to the surface of the movable substrate 110 is generated.
  • FIG. 16 is an enlarged view of the vicinity of the electret and electrodes of the power generator shown in FIG. Both FIG. 15 and FIG. 16 show a state in which the movable substrate 110 has moved in the direction of the arrow (+ x direction) shown in the figure, and the second electret 103 has started to approach the second electrode 104.
  • the first electrode 102 and the second electrode 104 are arranged so as to coincide with each other when viewed from the direction perpendicular to the first substrate surface. Similarly, it will begin to approach the first electrode 102. Between the first electret 101 and the first electrode 102, and between the second electret 103 and the second electrode 104, an electrostatic force in the direction opposite to the traveling direction of the movable substrate 110 ( ⁇ x direction). F -x is added, and the value is the amount of change in the capacitance C -h between the electret and the electrode due to the displacement of the movable substrate 110:
  • V e represents the electret potential. Therefore, the sum of the electrostatic force F + x and the electrostatic force F ⁇ x is added to the movable substrate 110.
  • the electrostatic force F + x in the traveling direction (x direction) of the movable substrate 110 increases due to the increase in the facing area and the fringing electric field.
  • F -x decreases.
  • the electrostatic force F + x decreases, and the electrostatic force F ⁇ x increases.
  • a force in the traveling direction or a force in the traveling direction and the opposite direction is always applied to the movable substrate 110, and a large force is required to maintain the displacement.
  • the maximum electrostatic force can be reduced when the electrets 101 and 103 arranged on the movable substrate 110 are in positions coincident with each other when viewed from the direction perpendicular to the first substrate surface.
  • the positions of the first electrode 102 and the second electrode 104 can be obtained by slightly shifting the position of the first electrode 102 and the second electrode 104 when viewed from the direction perpendicular to the first substrate surface. It becomes possible to operate the device. However, in order to maximize the effect of shifting the positions of the first electrode and the second electrode relative to each other, as shown in FIG. It is effective to shift by half. By shifting substantially half, the total sum of the electrostatic force F + x and the electrostatic force F ⁇ x acting on the movable substrate 110 can be minimized.
  • the widths of the first electret 101 and the first electrode 102 are substantially the same, and the distance between the centers of the first electret 101 and the first electrode 102 is the same. Is about twice the width of. Therefore, during vibration, any part of the first electret 101 may not overlap the first electrode 102 (that is, a state where both do not overlap) may occur. Similarly, during vibration, any part of the second electret 103 may not overlap the second electrode 104 (that is, a state where both do not overlap occurs).
  • the electret and the electrode always overlap during vibration, a considerable amount of electrostatic force is always applied to the movable substrate 110 in the direction opposite to the traveling direction, and the movement of the movable substrate 110 is inhibited. If there is a state where the electret and the electrode do not overlap during vibration, the movement of the movable substrate 110 is not hindered, and the movable substrate 110 can vibrate efficiently and the amount of power generation can be increased.
  • the second electrode 104 is shifted with respect to the second electret 103 by a distance corresponding to approximately half of the distance between the centers of the first electrodes 102 in the moving direction of the movable substrate 110.
  • substantially half means that if the distance between the centers of the first electrodes is about 10% or less, the second electret is not exactly half of the distance between the centers but is larger than that. Or, it means that they may be shifted by a small distance. For example, when the width of the first electrode (the dimension in the direction parallel to the moving direction of the movable substrate) is 100 ⁇ m and the distance between the centers of the first electrodes is 200 ⁇ m, the second electrode is the second electrode.
  • the position of the second electret may have a deviation of 10% or less of 100 ⁇ m, that is, 10 ⁇ m or less. Therefore, for example, in the above example, the second electrode is allowed to be shifted from the second electret by a distance in the range of 90 ⁇ m to 110 ⁇ m in the moving direction of the movable substrate. Further, this deviation means that deviation from the predetermined position (or design position) of the second electrode is allowed according to the processing accuracy at the time of manufacture.
  • the amount by which the second electrode 104 is displaced with respect to the second electret 103 is not necessarily limited to approximately half of the distance between the centers of the second electrodes.
  • the second electrode 104 is not less than 1 ⁇ 4 of the distance between the centers of the second electrodes and less than approximately half of the distance between the second electrets 103, or greater than approximately half and less than or equal to 3/4. It may be off by a distance. Since the second electrode 104 is displaced with respect to the second electret 103, the portion of the second electrode 104 that is not overlapped with the second electret 103 is static in a direction parallel to the moving direction of the movable substrate. Since electric power is generated, the movable substrate 110 is allowed to start moving (vibrating) smoothly.
  • the generators 100 and 200 shown in FIGS. 1 and 2 may be configured to extract power from only one of the first electrode 102 and the second electrode 104, or configured to extract power from both. You can do it. By extracting electric power from both, it is possible to increase the amount of power generation. That is, in the generators 100 and 200 shown in FIGS. 1 and 2, since the electrodes are present above and below and each electrode faces the electret, the area of the facing region between the electrode and the electret is increased. be able to. That is, one generator can be made to function as if it had two generators.
  • microelectromechanical generators 100 and 200 it is possible to increase the amount of power generation and improve the reliability, and by incorporating this, it is possible to provide various electric devices. Become.
  • FIG. 3 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the microelectromechanical generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • one substrate 208 is processed to form movable substrate 110, spring 201, and fixed structure 108 (that is, intermediate substrate 108 to which movable substrate 110 is connected by elastic structure 201). How to do it.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing a state where the first electret 101, the second electret 103, and the joining portions 106 and 107 are formed on the substrate 208.
  • the second electret 103 is formed by depositing an electret material and patterning it by a process such as photolithography and etching.
  • the second electret is positioned so as to be formed on the surface of the movable substrate when the spring and the movable substrate are formed by a method described later.
  • the electret material is an inorganic material such as a silicon oxide film, a silicon nitrogen film, or a multilayer film thereof, or an organic material.
  • a seed layer (not shown) for a plating process is deposited, a mold is formed by photolithography, and an upper joint 107 is formed by a plating process. Thereafter, the resist (that is, the seed layer) is removed.
  • the material of the seed layer is titanium, copper, or a laminated film thereof, and the material of the joint is copper.
  • the first electret 101 is formed on the surface opposite to the surface on which the second electret 103 is formed.
  • the first electret is also formed by depositing electret material and patterning it by a process such as photolithography and etching.
  • the first electret is also positioned so as to be formed on the surface of the movable substrate.
  • a seed layer (not shown) for a plating process is deposited, a mold is formed by photolithography, and a lower joint portion 106 is formed by a plating process. Thereafter, the resist (that is, the seed layer) is removed.
  • the substrate 208 is processed into a member having the spring 201, the movable substrate 110, and the fixed structure 108 by mask formation and deep etching (DRIE: “Deep” Reactive “Ion” Etching).
  • DRIE deep etching
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing a state in which the second electrode 104 is formed on the surface of the upper substrate 109.
  • the second electrode 104 is formed by depositing an electrode material on the surface (first substrate surface) of the upper substrate 109 and patterning it by a process such as photolithography and etching.
  • the electrode material is a metal material such as aluminum, or silicon obtained by patterning the upper substrate 109 by etching.
  • a seed layer (not shown) for a plating process is deposited, a mold is formed by photolithography, and an upper joint 107 is formed by a plating process. Thereafter, the resist (that is, the seed layer) is removed.
  • the material of the seed layer is titanium, copper, or a laminated film thereof, and the material of the joint is copper, tin, or a laminated film thereof.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing a state in which the first electrode 102 and the pad 105 are formed on the surface of the lower substrate 111.
  • the first electrode 102 and the pad 105 are deposited on the surface (second surface) of the lower substrate 111, and an electrode and a pad material are deposited and patterned by a process such as photolithography and etching.
  • the electrode and pad material is a metal material such as aluminum, or silicon obtained by patterning the upper substrate 109 by etching.
  • a seed layer (not shown) for a plating process is deposited, a mold is formed by photolithography, and a lower joint portion 106 is formed by a plating process. Thereafter, the resist (that is, the seed layer) is removed.
  • the material of the seed layer is titanium, copper, or a laminated film thereof, and the material of the joint is copper, tin, or a laminated film thereof.
  • FIG. 6A assembly of the movable substrate 110, the spring 201, the fixed structure 108, the upper substrate 109, and the lower substrate 111 formed by processing one substrate will be described.
  • the lower substrate 111 and the fixed structure 108 are joined after the first electret 101 formed on the surface of the movable substrate 110 is subjected to the charging process, and then the lower joint portion 106. This is done by joining together.
  • a charging process of the second electret 103 formed on the surface of the movable substrate 110 is performed.
  • FIG. 6B the upper joints 107 are joined together.
  • FIG. 6C shows a process in which the upper substrate 109, the fixed structure 108, and the lower substrate 111 are processed by a grinder or deep etching to expose the pad 105 and to make a chip of the power generator (individualization). .
  • Such a manufacturing method makes it possible to embody the microelectromechanical generators 100 and 200 having the above-described effects.
  • FIG. 7 and 8 are circuit diagrams showing circuits configured using the microelectromechanical generator according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7 shows a circuit configuration in which power is output from the first electrode 102.
  • This circuit is a power supply circuit that converts an alternating current signal output by repeatedly supplying and discharging the first electrode 102 into a direct current signal.
  • a power supply circuit is connected between the first electrode 102 and the movable substrate 110.
  • the power supply circuit can be composed of a bridge rectifier circuit composed of four diodes, a smoothing circuit composed of capacitors, and a load resistor.
  • FIG. 8 shows a circuit configuration in which power is output from the first electrode 102 and the second electrode 104.
  • the power supply circuit is connected between the first electrode 102 and the second electrode 104 and the movable substrate 110.
  • the power supply circuit includes two bridge rectifier circuits for rectifying the power output from each of the first electrode 102 and the second electrode 104, and each of the smoothing circuit and the load resistance is 1 Have one by one.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the micro electromechanical generator according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the first electret 101 is formed on the surface of the lower substrate 111 (the first substrate surface), and the first electrode 102 includes two movable substrates 100.
  • the second electret 103 is formed on the surface of the upper substrate 109 (second substrate surface), and the second electrode 104 is formed on the two surfaces of the movable substrate 110. It is formed on the surface facing the second substrate surface among the surfaces.
  • the first and second electrodes 102 and 104 are both formed on the movable substrate 110, and the first and second electrets 101 and 103 are formed on the lower substrate 111 and the upper substrate 109, respectively. It differs from the generator 100 of Embodiment 1. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 9, the first electret 101, the first electrode 102, and the second electrode 104 coincide when viewed from a direction perpendicular to the first substrate surface.
  • the second electret 103 is arranged with respect to the second electrode 104 so as to be shifted in the moving direction of the movable substrate 110 by approximately half of the distance between the centers of the first electrodes 102. Yes.
  • the effect of this is as described above in connection with the first embodiment.
  • the preferable predetermined amount is as described in connection with the first embodiment.
  • FIGS. 10 and 11 are cross-sectional views showing the configuration of the microelectromechanical generator according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the first electrode 102 is formed on the surface of the lower substrate 111 (first substrate surface), and the first surface of the two surfaces of the movable substrate 110 that faces the first substrate surface is the first electrode 102.
  • 1 electret 101 is formed
  • the second electret 103 is formed on the surface of the upper substrate 109 (second substrate surface)
  • the second of the two surfaces of the movable substrate 110 is the surface opposite to the second substrate surface.
  • the electrode 104 is formed.
  • This power generator 400 is different from the power generator of Embodiment 1 in that the second electret 103 is formed on the surface of the upper substrate 109 and the second electrode 104 is formed on one surface of the movable substrate. Different. Therefore, in the power generator 400 shown in FIG. 10, the first electrode 102, the first electret 101, and the second electrode 103 coincide with each other when viewed from the direction perpendicular to the first substrate surface. Yes.
  • the second electret 103 is movable with respect to the second electrode 104 by approximately half the distance between the centers of the first electrodes 102.
  • the substrates 110 are shifted in the moving direction. The effect of this is as described above in connection with the first embodiment. Even when the second electret is arranged to be shifted from the second electrode by a predetermined amount in the moving direction of the movable substrate, the preferable predetermined amount is as described in connection with the first embodiment.
  • the first electrode 102 is formed on the surface of the movable substrate 110 opposite to the first substrate surface, and the second electrode is formed on the surface of the upper substrate 109 (first substrate surface).
  • the first electret 101 is formed on the surface of the lower substrate 111 (the first substrate surface), and the second surface of the movable substrate 110 facing the second substrate surface is a second one.
  • An electret 103 is formed.
  • This power generator 500 is different from the power generator of the first embodiment in that the first electret 103 is formed on the surface of the lower substrate 111 and the first electrode 102 is formed on one surface of the movable substrate. Different.
  • Each of the forms shown in FIGS. 10 and 11 has a configuration in which an electret is formed on one of the two surfaces of the movable substrate 110 and an electrode is formed on the other. According to such a configuration, it is possible to individually perform the process of charging the electret formed on the movable substrate 110 and the process of charging the electret formed on the upper substrate 109 or the lower substrate 111, respectively. Can be further simplified.
  • micro electromechanical power generators 400 and 500 it is possible to obtain the effect of simplifying the manufacturing process in addition to the effect (increased power generation and improved reliability) described in connection with the first embodiment. it can.
  • the lower substrate is the first substrate and the upper substrate is the second substrate. It is of course possible to use the power generator according to the described embodiment, for example, upside down. Further, the pad 105 may be provided on the upper substrate 109. Alternatively, in another embodiment, the lower substrate may be the second substrate and the upper substrate may be the first substrate.
  • first and second are used to distinguish two substrates, and are not used to indicate the vertical relationship of the substrates.
  • the movable substrate is supported by the fixed structure by being connected to the fixed structure via the elastic structure.
  • the support of the movable substrate to the fixed substrate may be based on, for example, a magnetic force or an electrostatic force as long as the movable substrate can reciprocate in a predetermined direction.
  • the first substrate and the second substrate may also serve as the fixed structure.
  • the movable substrate can be supported by an electrostatic force (repulsive force) between electrets provided on each of the second substrate and the movable substrate.
  • the moving direction of the movable substrate is a direction parallel to one side when the first and second substrates are rectangular or square.
  • the description of these embodiments does not preclude that the moving direction of the movable substrate is another direction in place of or in addition to the direction in the power generator of the present invention.
  • micro electromechanical generator according to the present invention can achieve an increase in power generation and improvement in reliability, it is useful as a power source for various electrical devices.
  • Microelectromechanical generator 101 First electret 102 First electrode 103 Second electret 104 Second electrode 105 Pad 106 Lower joint 107 Upper joint 108 Fixed structure 109 Upper substrate 110 Movable substrate 111 Lower substrate 201 Elastic structure (spring) 208 substrates

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Abstract

　発電量を増大するために、エレクトレットの電位を増大させる、および／または電極とエレクトレットの間のギャップを狭くした場合でも、静電力による引き込み現象（スティクション）等に起因する機械ダンピングが防止された、信頼性の高い誘電型振動発電器を提供する。振動可能な可動基板１１０の両方の表面に第１のエレクトレット１０１および第２のエレクトレット１０３がそれぞれ設けられ、それぞれのエレクトレットに所定の間隔を空けて対向して、下部基板１１１および上部基板１０９上に第１の電極１０２および第２の電極１０４を形成することによって、可動基板１１０の両面側で静電力を生じさせて、可動基板１１０が一方向にのみ引き込まれることを防止する。

Description

微小電気機械発電器およびそれを用いた電気機器
　本発明は、微小電気機械発電器およびそれを用いた電気機器に関するものである。
　微小電気機械素子（MEMS：Micro Electro Mechanical Systems：以下、「ＭＥＭＳ」と略すことがある）は、無線、光、加速度センサ、バイオ、およびパワーなど、多くの分野において応用されている。その中で、パワーの分野においてＭＥＭＳを応用したデバイスとして、環境の中で、光、熱、および振動といった散逸したエネルギーを集めて活用する環境発電器(Energy Harvester)の開発が進められている。この環境発電器は、例えば、低電力無線機の電源に適用されて、電源ケーブルや電池を必要としない無線センサーネットワークなどを実現する。ＭＥＭＳ技術を環境発電器に適用することにより、環境発電器の小型化が可能である。
　光および熱の発生が弱い環境においては、外部環境から加えられる力によって素子を構成する部材が振動することを利用して発電する振動型発電器が有用である。振動型発電器には、圧電型、電磁型、および静電型がある。静電型振動発電器は圧電材料および磁性材料を必要とせず、簡単な製造方法で作製可能であるという利点を有する。
　静電型振動発電器は、着電されたエレクトレットと対向する電極を具備し、外部環境から加えられる力により重りが振動したときに、エレクトレットと電極の対向面積が変化すように構成される。静電型振動発電器は、対向面積の変化に伴う静電容量の変化を利用して、静電容量の最大値と最小値を繰り返し発生させることにより、電極への給電および放電による発電を実現する環境発電器である。これまでに、種々の静電型振動発電器が提案されている。
特開２００７－３１２５５１号公報
　静電型振動発電器の発電量を増大させるためには、最大容量時の給電量を増大させること、および静電容量の最大値と最小値の容量変化比を増大させることが必要である。これらは、エレクトレットの電位を増大させること、および／または電極とエレクトレットの間のギャップを狭くすることによって実現される。しかし、これらの手法を用いると、電極とエレクトレットの間に発生する静電力が増大するため、引き込み現象（スティクション）に起因する機械ダンピングが生じやすくなる。その結果、重りの振動および発電器の駆動が阻害され、発電器の性能および信頼性を低化させるという課題があった。
　従来の静電型振動発電器の問題について、詳細に説明する。
　図１２は、従来の微小電気機械発電器であって、静電振動型発電器の構成を示す横断面図である。この発電器の発電の仕組みを説明する。
　微小電気機械発電器１０００は、下部基板１１１、下部電極１０２、当該発電器から配線を取るためのパッド１０５、固定構造体１０８、可動基板１１０、下部エレクトレット１０１、バネ２０１、および下部接合部１０６を具備する。さらに、発電器１０００は、可動基板１１０およびバネ２０１を保護するための上部基板１０９および上部接合部１０７を有する。
　固定構造体１０８、バネ２０１および可動基板１１０は、通常、１枚の基板が加工されて形成される。固定構造体は固定部と呼ばれることもあり、可動基板は可動部または重りと呼ばれることもある。この発電器１０００においては、外部環境の振動に追随して、可動基板（重り）１１０が振動する。バネ２０１のバネ定数および共振周波数は、外部環境の振動周波数において、最大振幅が発生するよう最適化されている。可動基板１１０の振動により、可動基板の表面に対して垂直な方向から見て、下部電極１０２と下部エレクトレット１０１との重なり状態が変化し、対向面積の最大値もしくは最小値の状態が繰り返し発生する。
　対向面積が最大の状態では、基板１１１と可動基板１１０との間の静電容量値は最大となり、着電された下部エレクトレット１０１には高い電位が設定されているため、下部電極１０２には電荷の給電が発生する。一方、対向面積が最小の状態では、基板１１１と可動基板１１０との間の静電容量値は最小となり、下部電極１０２に給電された電荷の束縛が解放される。解放された電荷は、電力として、例えば、パッド１０５から出力される。
　この構成の発電器１０００において、発電量を増大させるためには、最大容量時の給電量を増大させること、および静電容量の最大値と最小値の容量変化比を増大させることが必要である。これらを実現する手法は、前述のように、下部エレクトレット１０１の電位を増大させること、および／または下部電極１０２と下部エレクトレット１０１との間のギャップを狭くすることである。図１３は、電極とエレクトレットの間隔と静電容量変化比の関係を示すシミュレーション結果の図である。図示するように、下部電極１０２と下部エレクトレット１０１の間のギャップを狭くすることにより静電容量変化比を増大させることが可能である。
　一方、ギャップをより狭くすると、下部電極１０２と下部エレクトレット１０１の間に発生する静電力がより増大するため、引き込み現象（スティクション）に起因する機械ダンピングが生じる。その結果、前述のように、可動基板１１０の振動および発電器の駆動が阻害される。
　電極とエレクトレットとの間のギャップを適正に維持する方法の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された静電型振動発電器は、エレクトレットと電極とが対向する領域のみならず、エレクトレットとエレクトレットが対向する領域を形成した構成を有し、対向するエレクトレットは同極性に着電されている。同極性に着電されたエレクトレットは、静電斥力により静電引力による引き込み力を低減する。しかし、特許文献１に記載の発電器は、給電用と斥力発生用のエレクトレットをともに、微小重り（可動基板）の同一平面上に形成する構成であるため、エレクトレットから発生する電界が複雑化し、制御が困難となる課題を有していた。
　本発明は、前記従来の課題を解決するためになされたものであり、発電量の増大と信頼性の向上が実現された静電型振動発電器を微小電気機械発電器として提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明は、
　第１基板表面を有する第１基板と、
　第２基板表面を有する第２基板と、
　移動可能な可動基板と、
　可動基板を支持する固定構造体と
を有し、
　第１基板表面と第２基板表面とが互いに対向し、
　可動基板は、前記第１基板と前記第２基板の間に配置されていて、前記第１基板表面と平行な少なくとも一軸方向（以下、この方向を「可動基板の移動方向」とも呼ぶ）に移動可能であり、
　前記第１基板表面および前記第１基板表面と対向する可動基板の表面のうち、一方の表面に複数の第１のエレクトレットが配置され、他方の表面に複数の第１の電極が配置され、
　前記第２基板表面および前記第２基板表面と対向する可動基板の表面のうち、一方の表面に複数の第２のエレクトレットが配置され、他方の表面に複数の第２の電極が配置されている、
微小電気機械発電器を提供する。
　本発明の微小電気機械発電器（単に「発電器」とも呼ぶ）は、第１基板と可動基板との間に静電力を発生させるとともに、第２基板と可動基板との間にも静電力を発生させる構成を有する。本構成によって、可動基板の２つの表面において静電力が発生し、一方の表面側で発生する静電力が、他方の表面側で発生する静電力により生じる引き込み力を低減することができる。
　本発明の発電器において、可動基板は、弾性構造体を介して固定基板に接続されていることが好ましい。即ち、可動基板は、弾性構造体を介して固定構造体に支持されていることが好ましい。それにより、可動基板を安定的に移動させる（振動させる）ことができる。
　また、本発明の発電器においては、第１の電極および第２の電極から電力を出力させることができ、その場合には、発電量を増大することが可能である。即ち、電極とエレクトレットの対向領域を積み重ねることによって、当該対向領域を増大させることができる。よって、設置面積を増やすことなく、１つの発電器において、２つの発電器に相当する発電量を得ることができる。
　また、本発明の微小電気機械発電器は、前記第１基板表面に垂直な方向から見て、前記第１のエレクトレットと前記第１の電極との位置が一致したとき、前記第２のエレクトレットと前記第２の電極との位置が可動基板の移動方向において所定量だけずれるように、前記第１のエレクトレット、前記第１の電極、前記第２のエレクトレット、および前記第２の電極が配置されている構成であってよい。
　第１のエレクトレット、第１の電極、第２のエレクトレットおよび第２の電極が、第１基板表面に対して垂直な同一線上に配置されていると、当該方向と平行な方向で、逆向きの２つの力が可動基板に作用して、可動基板が束縛されることがある。そこで、第１および第２のエレクトレット、ならびに第１および第２の電極が同一線上に配置されないように、第２のエレクトレットと第２の電極との位置が所定量だけずれるように、これらのエレクトレットおよび電極を配置させる。それにより、可動基板の束縛に起因して、可動基板の振動が阻害される現象を回避することが可能となる。
　第２の電極を第２のエレクトレットに対してずらすように配置すると、第２の電極と第２のエレクトレットとの間で発生する静電力は、可動基板の表面に対して斜め方向に加わる。即ち、可動基板の表面に対して垂直な方向の静電力のみならず、可動基板の表面に対して平行な方向（即ち、移動方向）の静電力を可動基板に加えることができる。そのような静電力は、可動基板を変位させることを可能にする、または促進する。
　そのような構成の発電器は、例えば、
　前記第１のエレクトレットは、互いに平行となり、かつ隣り合う２つの前記第１のエレクトレットの中心間の距離が等距離となるように配置されており、
　前記第１の電極は、互いに平行となり、かつ隣り合う２つの前記第１の電極の中心間の距離が等距離となるように配置されており、
　前記第２のエレクトレットは、互いに平行となり、かつ隣り合う２つの前記第２のエレクトレットの中心間の距離が等距離となるように配置されており、
　前記第２の電極は、互いに平行となり、かつ隣り合う２つの前記第２の電極の中心間の距離が等距離となるように配置されており、
　隣り合う２つの前記第１のエレクトレット間の中心間の距離、前記第１の電極間の中心間の距離、前記第２のエレクトレット間の中心間の距離、および前記第２の電極の中心間の距離が同じであり、
　前記第１のエレクトレット、前記第１の電極、前記第２のエレクトレット、および前記第２の電極が並ぶ方向は、可動基板の移動方向と平行な方向であり、
　前記所定量が隣り合う２つの第１の電極の中心間の距離の略半分である、
構成を有する。
　本発明の発電器は、前記第１のエレクトレットおよび前記第２のエレクトレットはそれぞれ、前記第１基板、前記可動基板、前記第２基板から選択される、２つの異なる基板の表面に配置されている構成を有してよい。この構成の発電器においては、２つのエレクトレットが異なる基板の表面に形成されるため、発電器の製造過程において、エレクトレットへの着電工程をそれぞれ個別に行うことが可能となり、製造工程を簡素化することができる。
　本発明の発電器においては、エレクトレットの電位を増大させること、および／またはエレクトレット－電極間のギャップを狭くすることによって、発電量を増大させても、可動基板の振動が静電力により阻害されない。よって、本発明によれば、発電量の増大と信頼性の向上がともに達成された、微小電気機械発電器およびそれを用いた電気機器を実現することができる。
本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の構成を示す横断面図 本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の構成を示す横断面図 本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図 本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図 本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図 本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図 本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の構成を示す回路図 本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の構成を示す回路図 本発明実施の形態２における微小電気機械発電器の構成を示す横断面図 本発明実施の形態３における微小電気機械発電器の構成を示す横断面図 本発明実施の形態３における微小電気機械発電器の構成を示す横断面図 従来の微小電気機械発電器の構成を示す横断面図 従来の微小電気機械発電器における電極とエレクトレットの間隔と容量変化比の関係を示すグラフ 本発明実施の形態１における微小電気機械発電器における、第１の電極の配置を示す平面図 図１に示す発電器のエレクトレットおよび電極の付近を拡大した横断面図 図２に示す発電器のエレクトレットおよび電極の付近を拡大した横断面図
　次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　（実施の形態１）
　図１および図２は、本実施の形態における微小電気機械発電器の構成を示す横断図である。図１および図２に示す微小電気機械発電器１００および２００は、第１基板としての下部基板１１１、第２基板としての上部基板１０９、可動基板１１０、弾性構造体としてのバネ２０１、および固定構造体１０８を具備する。図１において、下部基板１１１の上部表面と、上部基板１０９の下部表面とが対向している。したがって、この発電器１００において、下部基板１１１の上部表面および上部基板１０９の下部表面が、それぞれ第１基板表面および第２基板表面に相当する。
　下部基板１１１の第１基板表面（上部表面）には、複数の第１の電極１０２、および発電器１００を構成する素子（例えば、第１の電極１０２、下部基板１１１、または他の素子）から配線を取るためのパッド１０５が形成されている。上部基板１０９の第２基板表面（下部表面）には、複数の第２の電極１０４が形成されている。先に図１２に関して説明したとおり、固定構造体１０８、可動基板１１０、およびバネ２０１は、通常、１枚の基板が加工されて形成される。よって、これらの部材は合わせて、「可動基板（または可動部もしくは重り）１１０が弾性構造体２０１によって接続されている中間基板１０８」または「弾性構造体２０１によって可動可能な重り１１０を有する中間基板１０８」と称してもよい。
　可動基板１１０は、外部振動に追随して、上部基板１０９および下部基板１１１と対向する表面（したがって、第１基板表面および第２基板表面）と平行な少なくとも一軸方向（図面において両矢印で示す方向）において、振動（即ち、往復運動）する。第１基板表面と対向する可動基板の表面には、可動基板１１０の上方で電界を発生するエレクトレットであって、第１の電極１０２と対向した第１のエレクトレット１０１が形成されている。第２基板表面と対向する可動基板の表面には、可動基板の下方で電界を発生するエレクトレットであって、第２の電極１０４と対向した第２のエレクトレット１０３が形成されている。
　図示した形態において、第１の電極１０２は、互いに平行であり、かつ隣り合う２つの第１の電極１０２の中心間の距離が等距離となるように、即ち等間隔で設けられている。第１の電極１０２は、可動基板１１０の移動方向と平行な方向に並んでいる。即ち、第１の電極１０２は、第１基板表面に対して垂直な方向から見たときに、図１４に示すように配置されている。第１のエレクトレット１０１、第２のエレクトレット１０３、および第２の電極１０４も、同様に配置されている。
　図１に示す発電器１００において、第１の電極１０２と、第１のエレクトレット１０１および第２のエレクトレット１０３は、第１基板表面に対して垂直な方向から見て、一致するように配置され、第２の電極１０４はそれらからずれて配置されている。図２に示す発電器においては、第１の電極１０２、第１のエレクトレット１０１、第２のエレクトレット１０３および第２の電極１０４は、第１基板表面と垂直な方向から見て、一致するように配置されている。
　第１の電極１０２と第１のエレクトレット１０１との間に所定のギャップが形成されるよう、下部基板１１１と固定構造体１０８は、下部接合部１０６により接合される。同様に、第２の電極１０４と第２のエレクトレット１０３との間に所定のギャップが形成されるよう、上部基板１０９と固定構造体１０８は、上部接合部１０７により接合される。
　この構成の発電器１００および２００においては、可動基板１１０の下方のみならず上方にも、電極とエレクトレットが設けられている。かかる構成によれば、第２の電極１０４と第２のエレクトレット１０３の間に静電力を発生させることが可能となり、第１の電極１０２と第１のエレクトレット１０１の間に発生する静電力により下方へ引き込まれる可動基板１１０を上方へ引き上げ、可動基板１１０が一方向（図においては下向き）に引き込まれることを抑制することができる。
　好ましくは、図１に示すように、第２の電極１０４を、第２のエレクトレット１０３、第１のエレクトレット１０１、第１の電極１０２の位置に対し、可動基板１１０の移動方向においてずらして配置する。図１において、第１の電極１０２、第１のエレクトレット１０１および第２のエレクトレット１０３は、第１基板表面に対して垂直な方向から見て一致するように配置されている。即ち、第１の電極１０２、第１のエレクトレット１０１および第２のエレクトレット１０３は、図示した形態において、第１基板表面に対して垂直な同一線上に位置し、互いに重なっている。他方、第２の電極１０４は、可動基板の移動方向と平行な方向において、第２のエレクトレット１０３（即ち、第１の電極１０２および第１のエレクトレット１０１）に対し、第１の電極１０２の中心間の距離の半分の距離だけずらして配置されている。ここで、中心間の距離とは、第１の電極１０２の幅方向（可動基板の移動方向と平行な方向）の中心を通る中心線間の距離であり、図１４においてＰで示される距離に相当する。
　なお、図示した形態においては、２つのエレクトレットおよび２つの電極の幅（可動基板の移動方向と平行な寸法）が同じである。例えば、第１のエレクトレットと第１の電極の幅とが異なる場合、これらが第１基板表面に対して垂直な方向から見て一致するとは、これらの幅方向の中心を通る中心線が一致することを意味する。
　かかる構成によれば、可動基板１１０が振動している間、第１の電極１０２と第１のエレクトレット１０１、第２の電極１０４、および第２のエレクトレット１０３が、第１基板表面に対して垂直な方向の同一線上に位置することを避けることができる。より具体的には、第１の電極１０２と第１のエレクトレット１０１との重なり面積が最大になるときに、第２の電極１０４と第２のエレクトレット１０３とが重ならない。それにより、可動基板１１０に、可動基板の表面に対して垂直な方向において、互いに逆向きの静電力が加わることを避けることができ、可動基板１１０が束縛されて可動基板の振動が阻害される現象を回避することが可能となる。
　さらに、第２の電極１０４が第２のエレクトレット１０３に対し、可動基板１１０の移動方向において、第１の電極１０２中心間の距離の略半分ずらして配置されているため、１つの第２のエレクトレット１０３と２つの第２の電極１０４との間で斜め方向の静電力が加わる。それにより、可動基板１１０の表面に対して垂直な方向の静電力のみならず、当該表面と平行な方向の静電力を可動基板１１０に加えることができる。そのような方向の静電力は、可動基板１１０の変位を開始させることを可能にし、変位（可動基板の振動）の持続を促進する。
　可動基板１１０の変位を持続させる効果について、図１５、図１６を用いて説明を行う。
　図１５は、図１に示す発電器のエレクトレットおよび電極の付近を拡大した図であり、可動基板１１０の表面に平行な方向の静電力が発生する仕組みを説明する図である。図１６は、図２に示す発電器のエレクトレットおよび電極の付近を拡大した図である。図１５および図１６ともに可動基板１１０が図に示す矢印の方向（+x方向）に移動しており、第２のエレクトレット１０３が第２の電極１０４へ近付き始めた状態を示している。
　ここで、図１６においては、第１の電極１０２と第２の電極１０４とが第１基板表面に対して垂直な方向から見て一致するように配置されているため、第１のエレクトレット１０１も同様に第１の電極１０２へ近付き始めることとなる。第１のエレクトレット１０１と第１の電極１０２との間、および第２のエレクトレット１０３と第２の電極１０４との間には、可動基板１１０の進行方向と逆方向（－x方向）の静電力F-xが加わり、その値は可動基板１１０の変位に伴うエレクトレットと電極の間の静電容量C-hの変化量：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 に比例し、次式：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 で表される。
同様に、第１のエレクトレット１０１と第１の電極１０２との間、および第２のエレクトレット１０３と第２の電極１０４との間には、可動基板１１０の進行方向（+x方向）に静電力F+xが加わり、次式：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 で表される。上記式において、Veはエレクトレットの電位を示す。したがって、可動基板１１０には、静電力F+xと静電力F-xの総和が加わることとなる。
　例えば、エレクトレットが電極へ近付き始めた状態では、対向面積の増大とフリンジング電界の増大により、可動基板１１０の進行方向（x方向）の静電力F+xは大きくなる。一方、第１のエレクトレット１０１と第１の電極１０２の間、および第２のエレクトレット１０３と第２の電極１０４の間に発生する可動基板１１０の進行方向と逆方向（－x方向）の静電力F-xは減少する。逆に、エレクトレットが電極から離れ始めた状態では、静電力F+xが減少し、静電力F-xが増加することとなる。このように、可動基板１１０へは、常に進行方向の力、または進行方向とその逆方向の力が加わることとなり、変位を持続させるためには、大きな力が必要となる。
　図１５に示すように、第２のエレクトレット１０３が第１の電極１０２中心間の距離の略半分ずらして配置されていると、第２のエレクトレット１０３が第２の電極１０４に近付き始めると、第１のエレクトレット１０１は、第１の電極１０２から離れ始めることとなる。このような場合、静電力F+xが増加するが、静電力F-xは減少する。つまり、図１に示すような構成とすることにより、可動基板１１０に加わる静電力の最大値を減少させることが可能となり、より小さな加速度領域でも可動基板１１０の変位を持続させることが可能となる。
　静電力の最大値を減少させることは、図示するように、可動基板１１０に配置されたエレクトレット１０１および１０３が第１基板表面に対して垂直な方向から見て一致した位置にある場合、上下基板上の第１の電極１０２と第２の電極１０４の位置を、第１基板表面に対して垂直な方向から見て、少しでもずらすことにより得ることができ、それにより、低加速度領域においても発電器を動作させることが可能となる。しかしながら、第１の電極と第２の電極の位置を互いにずらすことによる効果を最大にするためには、図１に示すように、第２の電極を第１の電極の中心間の距離の略半分ずらすことが有効である。略半分ずらすことによって、可動基板１１０に作用する静電力F+xと静電力F-xの総和を最小とすることができる。
　また、図１に示す振動発電器１００においては、第１のエレクトレット１０１および第１の電極１０２の幅がほぼ同じであり、第１のエレクトレット１０１および第１の電極１０２の中心間の距離はそれらの幅の約２倍である。そのため、振動中、第１のエレクトレット１０１のいずれの部分も第１の電極１０２と重ならないこと（即ち、両者が重ならない状態が生じる）がある。同様に、振動中、第２のエレクトレット１０３のいずれの部分も第２の電極１０４と重ならないことがある（即ち、両者が重ならない状態が生じる）。振動中、エレクトレットと電極とが常に重なり合っていると、可動基板１１０にはその進行方向と逆の方向に常に相当な大きさの静電力が加わり、可動基板１１０の動きが阻害される。振動中、エレクトレットと電極とが重なり合わない状態が存在すると、可動基板１１０の動きが阻害されることなく、可動基板１１０が効率的に振動し、発電量が増大し得る。
　図１においては、第２の電極１０４を、第２のエレクトレット１０３に対して、第１の電極１０２の中心間の距離の略半分に相当する距離だけ、可動基板１１０の移動方向においてずらしている。ここで、「略半分」とは、第１の電極間の中心間の距離の約１０％以下であれば、第２のエレクトレットが、中心間の距離の厳密に半分ではなく、それよりも大きい又は小さい距離だけずらして配置してよいことを意味する。例えば、第１の電極の幅（可動基板の移動方向と平行な方向の寸法）が１００μｍであり、第１の電極の中心間の距離が２００μｍである場合には、第２の電極は第２のエレクトレットから１００μｍだけずらして配置することが最も好ましい。しかし、第２のエレクトレットの位置は、１００μｍの１０％以下、即ち、１０μｍ以下のずれを有してよい。したがって、例えば、上記の例において、第２の電極は、第２のエレクトレットから、可動基板の移動方向において、９０μｍ～１１０μｍの範囲内の距離でずらして配置されることが許容される。また、このずれは、製造の際の加工精度に応じて、第２の電極の所定位置（または設計位置）からのずれが許容されることを意味する。
　第２の電極１０４を第２のエレクトレット１０３に対してずらす量は、第２の電極の中心間の距離の略半分に必ずしも限定されない。例えば、第２の電極１０４は、第２のエレクトレット１０３に対して、第２の電極の中心間の距離の１／４以上略半分よりも小さい距離、または略半分よりも大きく３／４以下の距離だけずれていてよい。第２の電極１０４が、第２のエレクトレット１０３に対してずれていることにより、第２の電極１０４の第２のエレクトレット１０３と重なっていない部分において、可動基板の移動方向と平行な方向の静電力が発生するため、可動基板１１０がスムーズに移動（振動）を開始することを許容する。
　図１および図２に示す発電器１００および２００は、第１の電極１０２および第２の電極１０４のいずれか一方のみから電力を取り出すように構成してよく、あるいは両方から電力を取り出すように構成してよい。両方から電力を取り出すことにより、発電量を増大することが可能である。即ち、図１および図２に示す発電器１００および２００においては、電極が上方および下方に存在し、かつそれぞれの電極がエレクトレットと対向しているから、電極とエレクトレットの対向領域の面積を増大させることができる。即ち、１つの発電器を、２つの発電器を具備する如く機能させることができる。
　このように、微小電気機械発電器１００および２００によれば、発電量の増大と信頼性の向上を実現することが可能となり、これを組み込むことによって、種々の電気機器を提供することが可能となる。
　次に、図１に示す形態の微小電気機械発電器の製造方法を説明する。
　図３、図４、図５は、本発明実施の形態１における微小電気機械発電器の製造方法を示す横断面図である。図３を参照して、１枚の基板２０８を加工して、可動基板１１０、バネ２０１および固定構造体１０８（即ち、可動基板１１０が弾性構造体２０１によって接続されている中間基板１０８）を形成する方法を説明する。
　図３（ａ）は、基板２０８上に第１のエレクトレット１０１、第２のエレクトレット１０３、接合部１０６および１０７が形成された状態を示す断面図である。第２のエレクトレット１０３は、エレクトレット材料を堆積し、フォトリソグラフィーおよびエッチングなどのプロセスにより、パターニングすることにより形成される。第２のエレクトレットは、後述する方法でバネおよび可動基板を形成したときに、可動基板の表面に形成されるように、位置決めされる。エレクトレット材料は、シリコン酸化膜、シリコン窒素膜、もしくはその多層膜などの無機材料、または有機材料などである。次に、メッキプロセス用のシード層（図示せず）を堆積し、フォトリソグラフィーにより型を形成し、メッキプロセスにより上部接合部１０７を形成する。その後、レジスト（即ち、シード層）を除去する。シード層の材料は、チタン、銅、またはそれらの積層膜などであり、接合部の材料は銅などである。
　続いて、第２のエレクトレット１０３を形成した表面とは反対の表面に、第１のエレクトレット１０１を形成する。第１のエレクトレットもまた、エレクトレット材料を堆積し、フォトリソグラフィーおよびエッチングなどのプロセスによりパターニングして形成する。第１のエレクトレットもまた、第２のエレクトレットと同様に、可動基板の表面に形成されるように、位置決めされる。次に、メッキプロセス用のシード層（図示せず）を堆積し、フォトリソグラフィーにより型を形成し、メッキプロセスにより下部接合部１０６を形成する。その後、レジスト（即ち、シード層）を除去する。
　次に、マスク形成および深堀エッチング（DRIE: Deep Reactive Ion Etching）により、図３（ｂ）に示すように、基板２０８を、バネ２０１、可動基板１１０および固定構造体１０８を有する部材に加工する。
　図４を参照して、上部基板１０９の加工を説明する。図４（ａ）は、上部基板１０９の表面に第２の電極１０４が形成された状態を示す断面図である。第２の電極１０４は、上部基板１０９の表面（第１基板表面）上に、電極材料を堆積し、フォトリソグラフィーおよびエッチングなどのプロセスによりパターニングして形成する。電極材料は、アルミニウムなどの金属材料であり、または上部基板１０９をエッチングによりパターニングしたシリコンなどである。
　次に図４（ｂ）に示すように、メッキプロセス用のシード層（図示せず）を堆積し、フォトリソグラフィーにより型を形成し、メッキプロセスにより上部接合部１０７を形成する。その後、レジスト（即ち、シード層）を除去する。シード層の材料は、チタン、銅、またはそれらの積層膜などであり、接合部の材料は銅、錫、またはそれらの積層膜などである。
　図５を参照して、下部基板１１１の加工を説明する。図５（ａ）は、下部基板１１１の表面に第１の電極１０２およびパッド１０５が形成された状態を示す断面図である。第１の電極１０２は、下部基板１１１の表面（第２表面）上に、第１の電極１０２およびパッド１０５を、電極およびパッド材料を堆積し、フォトリソグラフィーおよびエッチングなどのプロセスによりパターニングする。電極およびパッド材料は、アルミニウムなどの金属材料であり、または上部基板１０９をエッチングによりパターニングしたシリコンなどである。
　次に図５（ｂ）に示すように、メッキプロセス用のシード層（図示せず）を堆積し、フォトリソグラフィーにより型を形成し、メッキプロセスにより下部接合部１０６を形成する。その後、レジスト（即ち、シード層）を除去する。シード層の材料は、チタン、銅、またはそれらの積層膜などであり、接合部の材料は銅、錫、またはそれらの積層膜などである。
　図６を参照して、１枚の基板が加工されて形成された可動基板１１０、バネ２０１をおよび固定構造体１０８、上部基板１０９、ならびに下部基板１１１の組み立て加工を説明する。図６（ａ）に示すように、下部基板１１１と固定構造体１０８との接合は、可動基板１１０の表面に形成された第１のエレクトレット１０１の着電工程を行った後、下部接合部１０６同士を接合することにより行う。次に、可動基板１１０の表面に形成された第２のエレクトレット１０３の着電工程を行う。次いで、図６（ｂ）に示すように、上部接合部１０７同士を接合する。
　図６（ｃ）は、グラインダまたは深堀エッチングにより、上部基板１０９、固定構造体１０８および下部基板１１１を加工し、パッド１０５の露出、および発電器のチップ化（個片化）を行う工程を示す。
　かかる製造方法によって、前記効果を有する微小電気機械発電器１００および２００を具現化することが可能となる。
　図７、図８は、本発明実施の形態１における微小電気機械発電器を用いて構成した回路を示す回路図である。
　図７は、第１の電極１０２より電力を出力する回路構成である。本回路は、第１の電極１０２において給放電を繰り返すことにより出力される交流信号を、直流信号に変換する電源回路である。第１の電極１０２と可動基板１１０の間に電源回路を接続する。例えば、電源回路は、４つのダイオードで構成されたブリッジ整流回路と、キャパシタで構成された平滑回路と、負荷抵抗とで構成できる。
　図８は、第１の電極１０２および第２の電極１０４より、電力を出力する回路構成である。電源回路は、第１の電極１０２および第２の電極１０４と可動基板１１０の間に接続する。図示するように、例えば、電源回路は、第１の電極１０２および第２の電極１０４それぞれから出力される電力を整流するために、２つのブリッジ整流回路を備え、平滑回路と負荷抵抗をそれぞれ１つずつ有する。
　（実施の形態２）
　図９は、本発明の実施の形態２における微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。
　実施の形態２の微小電気機械発電器３００においては、は、第１のエレクトレット１０１が下部基板１１１の表面（第１基板表面）に形成され、第１の電極１０２が、可動基板１００の２つの表面のうち、第１基板表面と対向する表面に形成され、第２のエレクトレット１０３が上部基板１０９の表面（第２基板表面）に形成され、第２の電極１０４が、可動基板１１０の２つの表面のうち、第２基板表面と対向する表面に形成されている。この発電器３００は、第１および第２の電極１０２および１０４がいずれも可動基板１１０に形成され、第１および第２のエレクトレット１０１および１０３がそれぞれ、下部基板１１１および上部基板１０９に形成されている点で、実施の形態１の発電器１００とは異なる。よって、図９に示す形態においては、第１のエレクトレット１０１、第１の電極１０２、および第２の電極１０４が、第１基板表面に対して垂直な方向から見たときに一致している。
　この発電器３００においては、第２のエレクトレット１０３が、第２の電極１０４に対して、第１の電極１０２の中心間の距離の略半分だけ、可動基板１１０の移動方向においてずらして配置されている。このことによる効果は、先に実施の形態１に関連して説明したとおりである。第２のエレクトレットを第２の電極から、可動基板の移動方向において所定量だけずらして配置する場合においても、好ましい所定量は、先に実施の形態１に関連して説明したとおりである。
　かかる構成によれば、下部基板１１１および上部基板１０９に形成されたエレクトレットへの着電工程をそれぞれ個別に行うことが可能となり、製造工程をより簡素化することができる。
　よって、この微小電気機械発電器３００によれば、実施の形態１に関連して説明した効果（発電量増大および信頼性向上）とともに、製造工程を簡素化するという効果を得ることができる。
　（実施の形態３）
　図１０および図１１は、本発明の実施の形態３における微小電気機械発電器の構成を示す横断面図である。
　微小電気機械発電器４００においては、下部基板１１１の表面（第１基板表面）に第１の電極１０２が形成され、可動基板１１０の２つの表面のうち、第１基板表面と対向する表面に第１のエレクトレット１０１が形成され、上部基板１０９の表面（第２基板表面）に第２のエレクトレット１０３が形成され、可動基板１１０の２つの表面のうち、第２基板表面と対向する表面に第２の電極１０４が形成されている。この発電器４００は、上部基板１０９の表面に第２のエレクトレット１０３が形成され、可動基板の一方の表面に第２の電極１０４が形成されている点で、実施の形態１の発電器とは異なる。よって、図１０に示す発電器４００においては、第１の電極１０２、第１のエレクトレット１０１、および第２の電極１０３が、第１基板表面に対して垂直な方向から見たときに一致している。
　この発電器４００においては、実施の形態２の発電器と同様に、第２のエレクトレット１０３が、第２の電極１０４に対して、第１の電極１０２間中心間の距離の略半分だけ、可動基板１１０の移動方向においてずらして配置されている。このことによる効果は、先に実施の形態１に関連して説明したとおりである。第２のエレクトレットを第２の電極から、可動基板の移動方向において所定量だけずらして配置する場合においても、好ましい所定量は、先に実施の形態１に関連して説明したとおりである。
　微小電気機械発電器５００においては、可動基板１１０の２つの表面のうち第１基板表面と対向する表面に第１の電極１０２が形成され、上部基板１０９の表面（第１基板表面）に第２の電極１０４が形成され、下部基板１１１の表面（第１基板表面）に第１のエレクトレット１０１が形成され、可動基板１１０の２つの表面のうち、第２基板表面と対向する表面に第２のエレクトレット１０３が形成されている。この発電器５００は、下部基板１１１の表面に第１のエレクトレット１０３が形成され、可動基板の一方の表面に第１の電極１０２が形成されている点で、実施の形態１の発電器とは異なる。
　図１０および図１１に示す形態はいずれも、可動基板１１０の２つの表面の一方にエレクトレットが形成され、他方に電極が形成されている構成である。
かかる構成によれば、可動基板１１０に形成されたエレクトレットへの着電工程と、上部基板１０９または下部基板１１１に形成されたエレクトレットへの着電工程をそれぞれ個別に行うことが可能となり、製造工程をより簡素化することができる。
　よって、これらの微小電気機械発電器４００、５００によれば、実施の形態１に関連して説明した効果（発電量増大および信頼性向上）とともに、製造工程を簡素化するという効果を得ることができる。
　上記の実施の形態はいずれも、下部基板を第１基板とし、上部基板を第２基板として説明した。説明した実施の形態の発電器は、例えば、上下を逆にして使用することも勿論可能である。また、パッド１０５は、上部基板１０９に設けられてよい。あるいは、別の実施形態において、下部基板を第２基板とし、上部基板を第１基板としてよい。「第１」および「第２」という用語は、２つの基板を区別するために用いられ、基板の上下関係を示すために用いられるものではない。
　上記の実施の形態においては、可動基板は、弾性構造体を介して固定構造体に接続されることによって、固定構造体により支持されている。可動基板の固定基板への支持は、可動基板が所定の方向において往復運動し得る限りにおいて、例えば、磁気力または静電力によるものであってよい。また、例えば、静電力によって可動基板を支持する場合、第１基板および第２基板が固定構造体を兼ねてよい。その場合、例えば、第２基板と可動基板のそれぞれに設けたエレクトレット間の静電力（反発力）によって、可動基板を支持することができる。
　また、上記の実施の形態においては、可動基板の移動方向を図１４に示すように、第１および第２基板を矩形または正方形としたときの一辺と平行な方向であるものを示している。しかし、これらの実施の形態の説明は、本発明の発電器において、可動基板の移動方向が当該方向に代えて、または当該方向に加えて、他の方向であることを妨げるものではない。
　本発明にかかる微小電気機械発電器は、発電量の増大と信頼性の向上を達成することができるものであるから、各種電気機器の電源として有用である。
　１００、２００、３００、１０００　微小電気機械発電器
　１０１　第１のエレクトレット
　１０２　第１の電極
　１０３　第２のエレクトレット
　１０４　第２の電極
　１０５　パッド
　１０６　下部接合部
　１０７　上部接合部
　１０８　固定構造体
　１０９　上部基板
　１１０　可動基板
　１１１　下部基板
　２０１　弾性構造体（バネ）
　２０８　基板

Claims (5)

  1. 　第１基板表面を有する第１基板と、
    　第２基板表面を有する第２基板と、
    　移動可能な可動基板と、
    　可動基板を支持する固定構造体と
    を有し、
    　第１基板表面と第２基板表面とが互いに対向し、
    　可動基板は、前記第１基板と前記第２基板の間に配置されていて、前記第１基板表面と平行な少なくとも一軸方向（以下、この方向を「可動基板の移動方向」とも呼ぶ）に移動可能であり、
    　前記第１基板表面および前記第１基板表面と対向する可動基板の表面のうち、一方の表面に複数の第１のエレクトレットが配置され、他方の表面に複数の第１の電極が配置され、
    　前記第２基板表面および前記第２基板表面と対向する可動基板の表面のうち、一方の表面に複数の第２のエレクトレットが配置され、他方の表面に複数の第２の電極が配置され、
    　前記第１のエレクトレット、前記第１の電極、前記第２のエレクトレット、および前記第２の電極が並ぶ方向は、可動基板の移動方向と平行な方向であり、
    　前記第１のエレクトレットは、互いに平行となり、かつ隣り合う２つの前記第１のエレクトレットの中心間の距離が等距離となるように配置されており、
    　前記第１の電極は、互いに平行となり、かつ隣り合う２つの前記第１の電極の中心間の距離が等距離となるように配置されており、
    　前記第２のエレクトレットは、互いに平行となり、かつ隣り合う２つの前記第２のエレクトレットの中心間の距離が等距離となるように配置されており、
    　前記第２の電極は、互いに平行となり、かつ隣り合う２つの前記第２の電極の中心間の距離が等距離となるように配置されており、
    　隣り合う２つの前記第１のエレクトレット間の中心間の距離、隣り合う２つの前記第１の電極間の中心間の距離、隣り合う２つの前記第２のエレクトレット間の中心間の距離、および隣り合う２つの前記第２の電極の中心間の距離が同じであり、
    　前記第１基板表面に垂直な方向から見て、前記第１のエレクトレットの位置と前記第１の電極の位置とが一致したとき、前記第２のエレクトレットの位置と前記第２の電極との位置が可動基板の移動方向において、隣り合う２つの前記第１の電極の中心間の距離の略半分だけずれるように、前記第１のエレクトレット、前記第１の電極、前記第２のエレクトレット、および前記第２の電極が配置されている、
    微小電気機械発電器。
  2. 　前記可動基板が弾性構造体を介して固定構造体に接続されている、請求項１に記載の微小電気機械発電器。
  3. 　前記第１のエレクトレットおよび前記第２のエレクトレットはそれぞれ、前記第１基板、前記可動基板、前記第２基板から選択される、２つの異なる基板の表面に配置されている、請求項１～２のいずれか１項に記載の微小電気機械発電器。
  4. 　前記第１の電極および前記第２の電極に流れる電流により発電を行う、請求項１～３のいずれか１項に記載の微小電気機械発電器。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の微小電気機械発電器を含む、電気機器。
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